UUV近海底地形跟踪策略及控制方法研究

发布时间：2020-06-24 15:18

【摘要】：无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是一种具有自主能力的水下运载工具,在军事、科学和经济等领域都有广泛应用,能够完成情报搜集、地形地貌勘测、沉船打捞、海底搜救等任务。在执行这些任务,尤其是海底地形地貌勘测时,为获得更加精确的信息,需要UUV与海底保持较近的稳定高度,即近海底地形跟踪。然而,在实际海洋环境中,海底地形未知且崎岖不平,这就导致UUV实现地形跟踪的难度大、效率低。正因如此,研究在未知环境下UUV的近海底地形跟踪问题具有非常重要的理论意义及实用价值。本文针对UUV在未知环境中的近海底地形跟踪问题提出了一种根据地形特征制导的跟踪策略。首先,通过对近海底地形跟踪问题的分析,设计了三个单波束探测声纳探测海底地形的基础架构;其次,基于单波束测距声纳的测距融合信息进行海底地形特征提取;最后,提出根据地形特征确定UUV航行高度指令的近海底地形跟踪策略。本文针对三维未知海底地形跟踪问题,提出一种UUV近海底跟踪控制架构。它将三维海底地形跟踪转化为水平面和垂直面的联合控制,即UUV在水平面上跟踪期望的二维水平面航迹点,在垂直面上根据近海底地形跟踪策略,采用反步法设计高度控制器控制UUV的航行高度,从而实现UUV对三维近海底地形的实时跟踪。本文使用MATLAB软件对上述控制策略及方法进行了仿真验证。首先,建立了四种典型二维海底地形模型即上坡地形、下坡地形、凸形地形及凹形地形。通过对四种地形的跟踪,验证控制方法的实时性及有效性。然后,开展了UUV不同声纳安装角度、不同航速的地形跟踪仿真试验研究;最后,建立了复杂三维海底地形,对所提地形跟踪控制架构、跟踪策略及跟踪控制方法进行了整体验证。通过仿真试验验证,本文所提出的近海底地形跟踪控制策略和控制方法不仅可以精确跟踪平缓地形,也可以有效识别并安全跟踪崎岖地形,易于工程实现,具有良好的实用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941
【图文】：

应用场,军事,使命,领域

进入 21 世纪，随着世界经济的快速发展和人口的不断增加，陆地资源匮乏问题越来越严重，人类的持续发展面临挑战。众所周知，海洋约占地球表面积的百分之七十一，拥有丰富的生物资源和矿物资源，是人类可有效利用的且未充分开发的巨大资源宝库，所以人们把目光投向了海洋资源的开发和利用。目前，海洋经济已经成为世界经济新的增长点。2017 年中国海洋生产总值在国民生产总值的比重已经达到了 9.4％，并且这个比重还在快速增长中[1]，虽然中国的海洋经济已经取得了阶段性的成果，但是中国海洋国土的开发利用和保护还面临着巨大挑战。中国东海南海大陆架内拥有丰富的资源储量，却遭到周边国家的掠夺性开发。所以中国需要先进的海洋装备进行海洋资源的开发和权益海域的保护。无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）是一种公认的很有发展前途的智能化水下运载体，其在水下军事及民用领域得到广泛应用。在军事领域 2004 年美国海军在《UUV 主规划》报告中给出了九种军事使命，如反潜、负载投送及时敏打击等[2]；在民用领域 UUV 广泛的用于海底地形勘测、水文调查、海底管道检修及搜救等[3,4,5]；如图 1.1。

近海底,海域,海底地形,欠驱动

哈尔滨工程大学硕士学位论文相对高度降低了探测的品质。所以为了获得良好的地形勘探结果就必须让 UUV 抵近海底定高航行。但是，此时 UUV 有与海底地凸起地形相撞的危险，这就要求 UUV 具有避障能力。但是海底凸起也是海底地形地貌的一部分，为了获得全面良好的地形地貌勘探结果就要求 UUV 在避障的同时相对海底的航行高度不能变化太大。综上，UUV 近海底地形跟踪是一种综合了避障的定高航行，即 UUV 在定高航行的同时有避障的能力，在避障的同时又能保障相对海底高度的较小变化。显然这种地形跟踪比单纯的定高或者避障更有实际意义，同时实现难度也很大。但是，一旦这种技术变得成熟其不仅在海底地形地貌探测中可以发挥巨大作用，在管道检修、海底搜救以及军事行动中都会发挥巨大作用，尤其是在军事中要求 UUV 要有高度隐蔽性，近海底航行可以有效的提高航行器的隐蔽能力[7,8]。图 1.2 为东海及南海部分海域海底地形。

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